Tipos de ligantes y selecci6n. Numerosos ligantes, inorganicos y organicos se usan en la briquetacion de carbones. EI Iigante seleccionado depende de las propiedades del ligante con relacion a las propiedades del carbon que va ha ser briqueteado, y el uso final de las briquetas y el costo. EI costo de muchos ligantes con frecuencia restringe su uso para briquetacion de carbones, y cuando los ligantes se usan, su costo puede ser una fraccion importante del costo del procesamiento. Por 10 tanto se requieren hacer pruebas para la seleccion juiciosa del tipo de ligante y determinar la concentracion minima para obtener las propiedades de la briqueta deseada. Los ligantes se han categorizado de varias maneras, inc1uyendo: comportamiento funcional, estado fisico, tipo quimico, accion ligante macroscopica, y fuerzas de particula. Los ligantes comunes usados en la briquetacion de carbones finos inc1uyen las peHculas inactivas, por ejemplo, agua, aceites, lignosulfanato, varios almidones, y goma; peliculas quimicas, por ejemplo, sodio, silicato y caliza; matriz quimica, por ejemplo, molasas y caliza, alcohol polivinil y almidon; matriz inactiva, por ejemplo, brea (de alquitran de carbon y petroleo), bitumen, arcillas, viscosa (santato de celulosa de sodio). En las ultimas dos decadas, muchos ligantes nuevos se han desarrollado para usar con el carbon y materiales asociados. Esos ligantes se han basado en polimeros, por ejemplo, la perteneciente a Thermae gel (matriz qui mica), mezclas multiquimicas y residuos de desechos orgarucos tales como resina, suero de la leche (pelicula inactiva). Papel, solo y con almidon, se ha empleado en algunas ocasiones como un ligante barato y efectivo para aglomerar carbon y coque de petroleo. Schafer, describe una serie de ligantes usados en el pasado y en el presente como aglomerantes del carbon, y algunos de esos y muchos otros se han probado recientemente por Young, Musich, and Willson, para usar con chares de carbon en el desarrollo de combustibles sin humo. Los factores que son importantes para la seleccion de ligantes para producir briquetas de carbon de buena calidad incluyen: alta resistencia delligante a baja concentracion, desarrollo de una buena resistencia verde, durabilidad impartida (por ejemplo a prueba de agua), caracteristicas ambientales favorables (tanto durante la preparacion como en el uso posterior), conveniencia de manejo, compatibilidad con la alimentacion, la aplicacion deseada, y la relacion costolbeneficio. A1 seleccionar un ligante es importante que no se tenga en cuenta solamente la combinacion ligante ­ alimentacion, sino tambien el uso final deseado. el costa delligante sera luego visto en relacion al valor agregado que el producto aglomerado puede obtener en el lugar de mercado.

Factor de mezcla. Como se menciono antes, el objetivo de la briquetacion es producir briquetas estables, fuertes y durables. Las tecnicas de mezclado tienen un papel importante ya que su proposito es cubrir uniformemente la superficie de las particulas de carbon con 44

r

el ligante. Cuatro aspectos de mezcla se deben considerar: caracteristicas del mezclador y velocjdad~ caracteristicas fisicas de los materiales a ser mezclados (por ejempio, contenido de humedad) y rasgos de la superficie (por ejemplo la apariencia angular de las particulas de char de carbon pueden mejorar la calidad de la briqueta); el orden de adicion de los materiales a mezclarse y el tiempo de mezclado. Cada uno de esos aspectos se debe evaluar para efectuar la briquetaci6n con el fin de optimizar condiciones y obtener un costo efectivo del producto. 4.2.2.2. Briquetacion de Iignitos sin Iigantes. Propiedades caracteristicas de los Iignitos.

Debido a su bajo rango, los lignitos tienen una alta saturacion de agua, la cual varia

entre el 45,0 y el 60,0% y un alto grado de acidez, la cual se refleja por la alta

relaci6n at6mica OIC, Mall L., 1.996.

Por el contrario, los carhones con mayor grado de carbonificacion, se caracterizan por tener bajos contenidos de agua y relacion atomica O/C. La alta proporcion de oxigeno en los lignitos se debe a la alta proporcion de bitumen y acidos humicos Iibres. Los acidos humicos ayudan a el buen comportamiento en la briquetacion. Ademas del rango bioquimico del lignito, su cali dad petrografica es un parametro material con una influencia decisiva en la briquetacion. La calidad petrografica depende de los materiales de los cuales se forma el carbon. Un rasgo esencial de los lignitos es su cali dad estructural, la cual varia entre compacta-detritica y estratiforme dependiendo de la tectonica. Mientras el carbon detritico es normal mente bueno para briquetacion, un carbon estratiforme muestra alta dureza de briquetacion. Es claro de las descripciones anteriores que los lignitos en principio son adecuados para hacer briquetas, pero su grado de adecuabilidad puede variar considerablemente. Rasgos basicos de la teoria de briquetacion.

El hecho de que sea posible hacer con el lignito briquetas solid as compactas, se debe

al gran potencialligante que este contiene, Mall L., 1.996.

Parte del arte de la briquetacion es hacer el mejor uso posible de los potenciales ligantes te6ricamente usables por medio de una compresion homogenea del carbon seco por ericima del nivel macromolecular. La alta capacidad de los componentes macromoleculares activamente ligantes se producen principal mente del gran numero de grupos funcionales, por ejemplo los grupos hidroxilo y carboxilos de los componentes alifaticos y aromaticos de las macromoIeculas de carbon. 45

r

Los siguientes tipos de enlaces estan en la estructura de las macromoleculas del carbon y (as interacciones entre ellas:

f

• • • •

Enlace ionico Enlace atomico Enlace de Van der Waals Puente de hidrogeno

Para que los campos de fuerza esten 10 suficientemente cerca uno del otro, es necesaria una alta compresion del material. La resistencia de la briqueta incrementa progresivamente con el aumento de la intensidad de compresion del material. El nivel de presion aplicado es el factor decisivo primario que produce la union de las fuerzas de enlace. Presiones de 800 a 1.200 bar son suficientes para la briquetacion sin ligantes de los lignitos. Por el contrario, sin ligantes, los carbones de mas alto rango, se pueden briquetear a presiones de 3. 000 a 5.000 bar, debido a su pobre susceptibilidad a la briquetacion. Debido a las altas demandas tecnicas de este proceso, los carbones de mayor rango solamente se convierten en briquetas usando ligantes.

Etapas del proceso tecnologico Extraccion. El proceso de briquetacion empieza practicamente en la mina con la extraccion del carbon adecuado para briquetacion. La seleccion del carbon se hace de acuerdo a los siguientes criterios: • • •

Petrografia Contenido de cenizas Contenido de sulfuro

La reaccion petrografica depende del rango del carbon, la estructura del carbon y las proporciones de los componentes que ayudan a la briquetacion, tal como la doplerita. Un requerimiento para briquetacion sin ligantes es contar con un carbon petrograficamente adecuado. Un alto contenido de cenizas tiene un efecto resistencia y el comportamiento de quemado plantas de beneficio el uso de los equipos sea componentes inorgarucos en el carbon, las singeneticas y epigeneticas.

adverso sabre el poder calorifico, la de la briqueta y requiere que en las alto. Las cenizas se producen de los cuales son parcial mente de origen

El contenido de cenizas difiere considerablemente de una mina a otra. Mall L., 1.996,

ha colocado el limite en el contenido de cenizas para briquetacion de carbones de

. aproximadamente 11,5%. Carbones con mayores contenidos de cenizas se llevan a

plantas tennicas.

46

r

EI contenido de su1furo no se ha estudiado bien en el proceso de briquetacion, pero si

~

en proteccion ambiental. La legislacion ambiental alemana prohibe el uso de combustion domestica de combustibles con un contenido de sulfuro mayor de 1,00/0. Combustibles con un alto contenido de sulfuro se deben pretratar para usarse en plantas con un FGD. Mall L., 1.996, coloco el limite superior del contenido de azufre de 3,4% para la produccion de briquetas pretratadas. Procesamiento del carbon crudo El carbon crudo suministrado des de la mina general mente tiene un tamano de particula de 200 mm. Para ser procesado posteriormente en la planta de beneficio, el carbon necesita prepararse a un tamano de particula de aproximadamente 6 mm. El diseno de la planta de preparacion depende de la estructura del carbon crudo que se va a usar. Esta consiste de unidades de molienda y tamizado adecuadamente conectadas, la molienda se lleva a cabo usualmente por molinos de doble rodillo y de martillo. Para el tamizado frecuentemente se usan mallas enrolladas y vibrantes. Secado. El contenido de agua del carbon crudo generalmente es de 50 a 55%. Para la briquetacion sin ligantes de lignito, el contenido optimo de agua es alrededor del 17 al 18%. Esto significa que por cada tonelada de briquetas aproximadamente 0,8 toneladas de agua se deben remover. As! el secado es la etapa que consume la mayor energia y es la mas costosa en el proceso de briquetacion. Hoy, el secado se hace usando predominantemente secadores tubulares calentados con vapor con una superficie de calentamiento de 4.000 m2 • Esos secadores son capaces de vaporizar aproximadamente 25 tIh de agua de el carbon. El calentamiento se Ileva a cabo usando el vapor spent de 4 a 5 bar desde las turbinas de la planta de generacion de la mina, la cual es parte del sitio dektmeficio. El acople calor-potencia hace posible proporcionar el calor a bajo precio can generacion de energia electrica termodimimicamente mas eficiente. El polvo se Iimpia desde el vapor de agua en los secadores par media de precipitadores electrostaticos. EI polvo que se remueve, se adiciona al carbon seco de nuevo y se vende separadamente como combustible. Aparte de los secadores tubulares, hay casas individuales en donde se usan secadores de lecho fluidizado ..vapor. Esas unidades son muy eficientes, pero requieren de una alta inversion. Hasta hace poco se usaron en Ia industria de Iignitos, los secadores rotatorios calentados par flujo de gas.

47

T

Extrusion. Oespues de enfriarse y molerse de nuevo, el carbon seco se moldea en briquetas a alta presion. Hoy se usan solamente para este proposito presas de extrusion.

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r

La principal caracteristica de las presas de extrusion es el canal de molde de abertura horizontal y el estampado de moldeo interior, el cual se maneja alternativamente hacia atras y hacia adelante. EI carbon que va hacer presionado entra el molde a traves de un eje de alimentacion y se compresiona por el estampado contra la ultima briqueta que se produjo. Solamente cuando la presion necesaria se ha obtenido y la briqueta se ha presionado, la briqueta previa se mueve fuera de la prensa. La resistencia necesaria se proporciona principalmente por la friccion de las briquetas en el molde. Hay un estrechamiento en el molde con el fin de proporcionar suficiente resistencia en el molde.

Enfriamiento de la briqueta. Las briquetas que se producen tienen una temperatura en el nueleo de 50 a 6CfC. Ellas no se pueden cargar a estas ternperaturas, debido a que se puede danar su estructura 0 se pueden auto combustionar. La temperatura de carga de la briquetas es de 35 a 4CfC. Esta es la (mica manera de asegurar que ellas sobrevivan varios dias de transporte. Debido ala baja conductividad termica de las briquetas, un tiempo de enfriamiento de 1 a 2 horas es suficiente.

4.2.3.

'\

Mezclas liquido carbon.

Se pueden producir mezelas estables de carbon fino y liquidos tales como aceite, metanol y agua. Tales mezelas se pueden usar como combustibles seudo-liquidos para aplicaciones en combustion, y pueden sustituirse por aceite si existen incentivos economicos/ En el caso de las mezclas carbon-agua.., se puede obtener una combustion eficiente usando los equipos convencionales que se utilizan con los combustibles liquidos gastando 0010 una pequena fraccion de la energia del carbon para evaporar el agua presente.

4.2.3.1. Propiedades y Caracteristicas del Carbon Empleado en la Preparacion de Mezclas Agua-carbon. La elase de carbon, definida usualmente por su rango, es una variable importante a tener en cuenta en la preparacion de un combustible formado de la mezela agua­ carbon en dos aspectos: En primer lugar, el carbon debe tener un alto poder calorifico, ignicion estable y reactividad quimica para superar los efectos de una alta humedad en la combustion. Ademas sus propiedades fisicas y qui micas deben perrnitir la formacion de una suspension en el agua bien dispersa con un alto contenido de solidos. 48

r

Las condiciones anteriores se encuentran en los carbones bituminosos con las siguientes caracteristicas, Wall, 1.987:

i

• Alto contenido de vohitiles, 10 que les da una ignicion estable. • Reactividad quimica. • Alto poder calorifico. Las antracitas, aunque tienen un mayor poder calorifico, poseen un bajo contenido en volatiles y macerales menos reactivos.

1

!

~

Los lignitos y los carbones sub-bituminosos aunque poseen alto contenido de volatiles y buena reactividad, tienen un poder calorifico bajo, debido a su alto contenido de humedad.

I

I

Las propiedades quimicas y fisicas c1aves son la porosidad y el contenido de oxigeno~ Thambimuthu y Whaley, 1.987, (en Thambimuthu K., 1. 994). Los carbones altamente porosos tienden a retener la humedad adsorbida y a dispersar los aditivos quimicos. Estas caracteristicas son indeseables y reducen la cantidad de humedad disponible para suspender 0 fluidizar las particulas de carbon, y al mismo tiempo incrementan la cantidad de aditivos quimicos. Los estudios realizados muestran que la porosidad de las particulas de carbon debe ser menor del 8% con el fin de producir una mezc1a agua-carbon con alto contenido de solidos~ Dooher y otros, 1.990. El contenido de oxigeno del carbon tiene relacion directa con la formacion de la suspension debido a su influencia sobre la mojabilidad del carbon. Aunque se requiere una buena mojabilidad para mejorar la dispersion de los solidos, el oxigeno usualmente disminuye la eficiencia de los aditivos quimicos y por 10 tanto incrementa su consumo en la fabricacion del combustible. Los carbones altamente oxigenados debido a su alta polaridad y a las propiedades hidrofilicas tienden a adsorber el agua en los poros de las particulas de carbon. La porosidad, la humedad y el contenido de oxigeno se incrementan a medida que el rango baja, y son usualmente mas altos en los lignitos y carbones sub-bituminosos. Los carbones bituminosos son general mente los optimos para la preparacion de las mezc1as agua-carbon, sin embargo, no se deben descartar los carbones de bajo rango, ya que sus propiedades se pueden mejorar y lograr la suspension con pretratamientos.

Contenido de cenizas, beneficio y pretratamiento del carbon. La presencia de cenizas afecta la estabilidad de la suspension y de la ignicion, asi como el funcionamiento de los aditivos quimicos. El proceso y el medio ambiente se yen favorecidos por el uso de carbones limpios, por tal motivo es bueno introducir una etapa para remover los sulfuros y la materia mineral del carbon. Otras etapas de pretratamiento pueden ser necesarias para lograr mejorar las propiedades de los carbones de bajo rango y promover la separaci6n de la materia mineral, asi como lograr una mejor combustion de la mezc1a. 49

r

Tamaiio de particula y concentracion de solid os. Una de las consideraciones mas importantes en la preparacion del CWM es la necesidad de maxi mizar la concentracion de solidos 0 carga de particulas. Esto se debe a que el agua es un inerte y reduce el poder calorifico del combustible en aproximadamente un 1% por cada 100/0 en peso de humedad del CWM. Una consideracion secundaria en el proceso es la de mantener una reologia aceptable en el combustible, para minimizar eI uso de energia en el bombeo y facilitar su transporte a traves de tuberia.

~

Entre las aplicaciones de los combustibles CWM se encuentra su uso en maquinas termicas, en las cuales es importante maxi mizar la quema de combustible en tiempos de residencia bajos y prevenir la erosion y el bloqueo de algunos componentes. El diametro medio optimo para la preparacion del combustible CWM para su uso en maquinas termicas esta entre lOy 15 J.lm, Davis y Maxwell. La concentracion total de solidos en el combustible esta determinada por la distribucion de tamafio de las particulas de carbon. Se aceptan tres modelos de empaquetamiento de particulas considerando que son esferas de un mismo tamafio: • • •

Cubico, fraccion volumetrica 0,53 Aleatorio, fraccion volumetrica 0,63 Rombohedral, fraccion volumetrica 0,74

La preparacion de combustible altamente cargado usando particulas no esfericas, a niveles aproximados 0 por encima de los anteriores limites, se Iogra mediante particulas muy finas que rellenen los espacios vacios entre las particulas mayores. En la practica, se preparan distribuciones bimodales remoliendo parte del carbon alimentado inicialmente. Por regIa general mientras mayor es la carga de solidos mayor es la viscosidad; aunque la carga maxima esta determinada por la molienda, este valor esta influenciado por la floculacion 0 aglomeracion de la mezc1a. Para un tipo de carbon dado, la distribucion de tamafios y la c1ase y concentracion de aditivos son las variables empleadas para controlar la maxima carga de particulas en el CWM y obtener un comportamiento reologico aceptable para el manejo y el almacenamiento. Dispersion de particulas y aditivos quimicos. Los carbones de bajo 0 alto rango pretratados que contienen bajo contenido de oxigeno y de cenizas son altamente hidrofobicos, y su mojabilidad se facilita agregando aditivos quimicos y agentes tensoactivos. La Figura 12, muestra un esquema del proceso de mojado y dispersion. Los agentes tensoactivos mas usados son los polimeros organicos tanto ionicos como no ionicos. Cuando son adsorbidos en la orientacion 1 de la Figura 12, reducen significativamente la tension superficial de las interfaces solido Hquido y solido gas lognindose la suspension. En la orientacion 2 hay disminucion en la eficiencia del aditivo, 10 que incrementa la cantidad requerida para el proceso. Debido a 10 anterior, los carbones de bajo range sin pretratamientos son inapropiados para producir combustibles CW?vI con poco consumo de aditivos. 50

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Grupol funcionales polarll a ionicol Orcaanlc:o III In orca ci nlco

Sitios dl superflcle hidrofilica (a ctl vi dad determinada por 101 carupos funclonales pH)

o

surfactant. Jonlco Grupo R - AI kyl Grupe 1- ianlco

PARTIC~LA

DE CARBON

Surfactant. no ionico Grupo R-Alkyl Grupo oxido polar .. O Superflcle hldrofflica del carbOn 1.0ri.ntocl"" preferlda POT la superflcit mojada 2..Otientocian que del.riora 10 luperffcie mojada

FIGURA 12. Humectabilidad y dispersion de las particulas de carbon por surfactantes, (Thambimuthu K, 1.994).

La eficiencia del proceso se detennina por el grade de adsorci6n en la orientaci6n correct a de la superficie hidrof6bica del carb6n. La estabilidad a largo plazo se detennina por la actividad de los sitios hidrofilicos, la cual depende del pH de la dispersi6n. La presencia de cenizas desfavorece este equilibrio quimico, debido al efecto de las lechadas solubles que pueden alterar el pH y asi la actividad· superficial. Los aditivos quimicos mantienen la suspensi6n dimimica por la repulsi6n entre cargas. La clase y la concentracion del aditivo se utilizan para controlar la viscosidad de la suspension. Cuando la carga de Ia superficie es baja, es decir para las movilidades electroforeticas mas bajas, las particulas de carb6n forman agregados 0 floculos de dos 0 mas paiticulas. La floculacion ocurre cuando la carga neta del tensoactivo estabilizado cambia con el pH. De otro lado, cuando las particulas de carb6n son dispersadas sin 51

, aditivos~ fa aglomeraci6n hidrof6bica preferencial (debida a las pobres caracteristicas

de mojado) puede producir la floculaci6n de las particulas. En ambos casos, la floculaci6n reduce la carga de s6lidos e incrementa la viscosidad aparente de la mezcla.

Sedimentaci6n y estabilidad de almacenamiento La Figura 13, muestra un esquema de la influencia de la carga superficial y la floculaci6n sobre algunas propiedades como la sedimentacion y la estabilidad de almacenamiento. Un sistema bien disperso presenta problemas porque las particulas de carbon tienden a sedimentar nipidamente. Alto

II

Bien dispersoda

cargo de 10 superficie de 10 porticulo ---II- Cero Debilmen1e floculada

Fuertemente floculada

A."

".

....,

I

Duro III

Naturaleza de los depositos

Bojo ..

Volumen de sedimentos

Pobre III Baja .. Alto III

--+- Blando .... Alto

Es10bilidod de los sedimentos - - . . Bueno Viscosidod oporente )(,

,..

Maximo contenido de solidos

... Alto

at Bajo

FIGURA 13. Influencia de la carga de la superficie y la floculacion de la partfcula sobre la estabilidad de la sedimentacion y las propiedades del surfactante dispersado CWF, (Thambimuthu K., 1.994).

A pesar de la pobre estabilidad, el contenido de solidos es alto y la resistencia al flujo es baja. Un combustible CWM floculado mejora la estabilidad, con un asentamiento minimo de las particulas y una feicil resuspension de las mismas.

52

r

En la practlca, las condiciones de estabilidad se pueden lograr adicionando un segundo aditivo, usualmente es una goma natural 0 polisacarido; el cual promueve la formacion de puentes entre las partfculas de carbon.

Temperatura de estabilidad. A parte de las temperaturas de ebullici6n y de solidificaci6n, las cuales deben evitarse, la temperatura tiene un impacto minimo en la densidad 0 la viscosidad del CWM; sin embargo, el calor puede alterar las propiedades del combustible debido a cambios de la solubilidad en la fase acuosa y de las propiedades fisicas y de adsorci6n qui mica de los aditivos. A altas temperaturas, los tensoactivos i6nicos tienden a adsorber mas debilmente a los sitios hidrof6bicos de la superficie del carbon. Por el contrario la adsorci6n en los sitios hidrofilicos se incrementa con la temperatura, de tal forma que la desorcion de las moleculas de tensoactivo en la direcci6n conveniente puede promover el aumento de la floculaci6n. Los tensoactivos no ionicos encuentran deficiencias mas severas para la desorcion de las moIeculas de tensoactivo en la direccion conveniente y por 10 tanto pueden promover el aumento de la floculacion. Los tensoactivos no i6nicos encuentran deficiencias mas severas para la desorci6n que los grupos alkilicos. A.dicionalmente, las fracciones de 6xidos polares experimentan una disminuci6n de la solubilidad en la fase acuosa con el aumento de la temperatura favoreciendo la formacion de micelas de oxido en lugar de interactuar con el agua. El resultado neto de la desorci6n y de las interacciones entre moleculas del mismo tensoacti vo es el incremento de la floculaci6n de las particulas a altas temperaturas. De otro lado, el incremento de la solubilidad de minerales con la temperatura podria alterar el pH y el balance ionico quimico en la mezc1a. Otro problema, es debido al incremento en la rompimiento del polisacarido, 10 cual incrementa particulas en el combustible. El proceso puede adecuada para su almacenamiento y/o el uso antibacterial en la formulacion del combustible.

actividad microbial causando el el grado de sedimentaci6n de las evitarse si se usa la temperatura de altas concentraciones de un

4.2.3.2. Procesos de produccion. La Figura 14, muestra el proceso empleado para la producci6n de CWM a partir de carbon sin pretratamiento. Se usa una molienda en humedo para obtener eI tamafio de particula deseado, a veces precedido de una etapa de secado. Para producir una distribucion de tamafio de particula que minimice la concentracion de solidos en eI CWM: se usa un tamiz que separe las particulas mas grandes para volverlas a moIer. La suspensi6n acuosa diluida se concentra en un filtro para obtener una humedad entre 20 y 30% en peso.

53

Aaua

Carbon Tolva de

,)

Mollenda en t"imedo

Rlciclado de tamano. Qrandel

Finos

Filtro Torla humeda 20-30 % de aQua

. Aditivos , . qUlmlcos A I mace.naje de combustible aQua-corban

Mezclador de

combuati ble

FIGURA 14. Proceso generico para la elaboracion de CWM, (Thambimuthu K, 1.994). EI carb6n se mezcla con los aditivos quimicos y el agua en un tanque de agitaci6n para obtener la composici6n final del CWM. Algunas veces se emplea un segundo tanque para monitorear .la viScosidad y/o agregar un segundo aditivo estabilizador. Finalmente el combustible se almacena. para pennitir la difusi6n. total de los aditivos antes de su embarque para ei uso. . EI proceso de produccion de CWM puede variar de la configuraci6n basica que se muestra en la Figura 14. Las diferencias usualmente estriban en la fuente del carbon, el uso de pretratamientos 0 de etapas de lavado, el tipo de molino, la forma de la molienda y la c1ase de aditivos utilizados. I

Es comun adicionar etapas de beneficio posteriores a la molienda. Otro cambio im'portante es la adicion del tensoactivo a1 momento de alimentar el molino, esto permite un mejor control de la molienda y reduce el consumo de energia.

4.2.3~3.

Disponibilidad de almacenamiento y transporte Almacenamiento en .tanques. La forma en que se almacene depende de si el combustible se fabrica 0 no en el sitio donde se va a utilizar. Si el combustible se \

54

r

prepara en planta puede requerirse de un sistema para almacenamiento en linea, pero es necesario el uso de sistemas de agitacion. De otro lado, el combustible se puede preparar en otro lugar, en este caso se requiere de un sistema para recibir el combustible asi como para descargarlo, ademas es necesario agitar en los tanques de almacenamiento, (Thambimuthu K., 1.994).

,

Bombeo. Las bombas se usan para transportar largas distancias el combustible entre los sitios de almacenamiento y los tanques de uso diario y para proveer la presion necesaria en el atomizador del quemador. Una consideracion a tener en cuenta para seleccionar la bomba adecuada es la resistencia a la abrasion. Debido a la variabilidad de las condiciones del combustible las bombas seleccionadas para un proceso dado deben ser flexibles y proporcionar cabezas y flujos variables. Esta flexibilidad se logra empleando un conductor de velocidad variable. De esta forma es posible eliminar valvulas y permitir una mayor duracion de las mismas. Aunque se han empleado bomb as centrifugas y de diafragma, las bombas de desplazamiento positivo han dominado en este campo. Transporte del combustible. La experiencia muestra que el flujo a bajas velocidades y la formacion de capas en las paredes de la tuberia minimizan la erosion. Para el diseiio bajo estas condiciones Causilla y Liu proponen los siguientes criterios: • Mantener las velocidades de flujo entre 0,6 y 2,4 mls • Las tuberias' deben tener conexiones T para facilitar la limpieza en caso de atascamientos. • Las perdidas por friccion se pueden calcular por la ecuacion de Darcy para condiciones laminares, sin embargo, se deben modificar para adaptarse a las diferentes condiciones reologicas. • Las tuberias deb en ser protegidas contra las bajas temperaturas. 4.2.3.4. Mecanismo de combu5ti6n. AI contrario de la combustion de carbon pulverizado, el mecanismo del CWM altera la morfologia y las propiedades fisicas de los productos finales y de las cenizas. Las particulas grandes de carbon experimentan la ignicion, la volatilizacion y la quema como entidades discretas y producen cenizas no muy diferentes a las generadas con carbon pulverizado. Sin embargo, debido al calor latente de vaporizacion del agua las llamas del CWM alcanzan temperaturas entre 100 Y 200°C (menores a las del carbon pulverizado), 10 cual genera una menor fusion de las cenizas. Las gotas (que contienen particulas finas) experimentan una etapa adicional de evaporacion. EI rapido calentamiento de la superficie promueve la formacion de agregados, (Thambimuthu K., 1 . 9 9 4 ) . " Se han identificado dos formas de combustion en estos agregados: En. la primera los volatiles son expulsados para formar esferas ahuecadas que se oXldan posterionnente. AI debilitarse la coraza a medida que se queman las esferas,

55

r

estas se fragmentan. La segunda forma se distingue de la anterior debido en que los aglomerados rotan a medida que se queman (se han observado frecuencias de hasta 1.000 Hz), estas fuerzas centrifugas fragmentan los agregados, que se queman como particulas discretas. Varios estudios han demostrado que el proceso de combustion esta controlado por la difusion en los poros 0 por la cinetica de la reaccion. El resultado es la quema mas rapida comparada con la del carbon pulverizado, en donde la etapa controlante es la difusion de masa a la superficie.

4.2.4.

Tecnologias avanzadas de cicio combinado con carbon.

El desarrollo de tecnologias de conversion del carbon limpias, eficientes y rentables para la generacion de energia es esencial para cubrir las necesidades energeticas futuras del mundo.t Aqu! se da una vision de diversas tecnologias alternativas para centrales tennicas basadas en la combustion de carbon, algunas en operacion y todas ell as demostradas en planta piloto. ~ Los programas avanzados de carbon limpio implican las siguientes tecnologias basicas, que usan carbon de baja cali dad para generacion de energia:

• • • .•

Gasificacion integrada (IG) Combustion en lecho fluidizado presurizado (PFB) Combustion directa con carbon (DCF)

Combustion indirecta con carbon (IDC)

La estrategia del combustible solido para la generacion de energia ha consistido en Todas seran demostrar la viabilidad tecnologica de estos tipos de plantas. comercializadas en los proximos aiios. Las plantas convencionales con turbina, basadas en la combustion del carbon y dotadas de plantas de desulfurizacion del gas residual de la combustion (pCIFGD), han alcanzado unas condiciones de operacion en los Estados Unidos durante la ultima decada a 2.400 psi, 1.000°F (16,4 lVtPa, 538°C) y un simple recalentamiento de I.OOO°F (538°C) con un rendimiento de la planta de aproximadamente eI35%. En la Tabla lOse muestra la comparacion entre los ciclos citados y el cicIo combinado con gasificacion integrada (IGCC), con los costos de plantas aproximados, Scalzo et aI., 1.992, (en Domeracki et ai, 1.994). La planta IGCC tiene una turbina de gas que funciona a una temperatura de 2. 100°F (1. 149°C) Y un 37% de rendimiento. TABLA 10. Comparaci6n de ciclos disponibles tfpicos, (Domeracki et ai, 1.994) Cicio

PCIFGD AFB IGCC

Rendimiento %HHV

Costo $/KW

35

1.750

1.680

1.800

36 37

56

r

En la Tabla II aparecen los nuevos ciclos basados en Ja combustion del carbon que estan surgiendo, con los costos aproximados de la planta (Scalzo et al 1.992) TABLA 11. Comparacion de ciclos avanzados,(Domeracki et ai, 1.994) CicIo PFB La generaci6n IGee avanzado PFB 23 generaci6n DCFACe

Rendimiento %HHV Costo $IKW 1.500 38 1.400 41 1.350 45 1.200 45

Ano

1.993

1.996

1.998

2.003

4.2.4.1. Gasificacion Integrada Descripcion Durante los anos 80, los cicIos combinados con gasificacion integrada (lGCe) avanzaron desde el laboratorio a las primeras ofertas comerciales. EI proceso tiene ~!>asicamente 4 etapas: ' • EI carb6n se convierte en moleculas gaseosas mediante el contacto con vapor y oxigeno (0 aire) a alta temperatura. • Los gases se purifican

.• Los gases limpios se queman en las camaras de combusti6n de la turbina

• EI calor residual de los gases de escape se usan en una turbina de vapor, cerrando el cicIo. El azufre, los compuestos de nitr6geno y las particulas se retiran antes de que el combustible sea quemado en la turbina, a la que se anade aire antes de la combusti6n.

C El IGCe avanzado difiere de los disenos actuales en que la gasificaci6n del carb6n es con oxigeno y la limpieza del gas frio se sustituye por limpieza del gas caliente, con 10 que mejora la eficiencia termica. Debido a que el poder calorifico medio del gas de sintesis es mucho mas bajo que el del gas natural, la camara de combusti6n estandar de gas natural debe modificarse para acomodarla al mayor flujo mitsico requerido. En primer lugar, las tuberias del sistema de combustible deben ensancharse hasta cuatro veces can respecto a las requeridas para el gas natural. Los inyectores de combustible deben redisenarse para hacerlos id6neos al combustible. Las camaras de combusti6n deben optimizarse para gas de sintesis y final mente, el sistema de control debe modificarse para permitir que la turbina funcione con gas de sintesis, gas natural 0 una combinaci6n de ambos . .Las ventajas del lGCe pueden resumirse como sigue: • Esta basado en tecnologia disponible • Mas bajas emisiones (S02 y NO x) • Mayor rendimiento (37 a 450/0)

57

Lecho fluidizado presurizado Descripcion En el cicio combinado PFB de segunda generacion, el carbon se alimenta a una unidad de pirolisis que opera a 1.600°F (871°C), para producir un gas combustible de bajo poder calorifico y carbon residual. Este carbon se quema en el PFB, presurizado por la turbina de gas, y los gases, a 1.6000F (871°C), se llevan, despues de filtrados, a la turbina, tal como se ilustra e~ la Figura 15. Antes de entrar en la turbina, los gases combustibles de bajo poder calorifico producidos en la unidad de pirolisis y filtrados todavia ricos en oxigeno, se calientan a 2.100°F (1.149°C) 0 mas, en un sistema de combustion ··topping··, Dado que la temperatura de entrada a la turbina es como minimo 500°F mayor que la temperatura del aire del PFB, el rendimiento de la planta es de cinco a siete puntos porcentuales superior al de plantas similares de la primera generacion. \i

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Puesto que el aire< que entia al combustor 10 hace a 1.600°F (871°C), comparado con lo,s 750°C (411 °C) del aire de descarga del compresor, para una moderna turbina de 58

combustion de relacion de presion de 14 aI, los disefios del combustor convencional serian inaceptables desde el punto de vista de temperatura de la pared y emisiones. Para esta aplicacion, el combustor seria enfriado con el aire vaciado de descarga del PFB a 1.600°F (871°C) Y quemaria combustibles sinteticos que contengan nitrogeno combinado. Ademas el combustor debe poder operar a baja temperatura del aire de entrada~ usando combustibles convencionales, cuando el lecho fluidizado este fuera de servicio. En resumen, el combustor debe: • Utilizar aire viciado a 1.600°F (871°C) para el enfriamiento • Inhibir la formaci6n de NO x a partir de combustibles que contemplan nitrogeno combinado. • Operar con combustibles convencionales cuando el PFB y/o la unidad de pirolisis no esten en operacion.

EI disefio que satisface los tres requenmlentos es el quemador de torbellino multianular (MASB), basado en un disefio de J.M. Beer, 1.980, tal como 10 muestra la Figura 16, discutido con mas detalle por Garlando y Pillsbury, 1.990 y Garland et aI, 1.991.

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FIGURA 16. Distribuci6n conceptual de un quemador de torbellino multianular, (Domeracki et aI, 1.994) Las plantas PFB de segunda generacion tienen una ventaja inherente sobre las de la primera generacion. Estas ultimas prometen una eficacia solamente de un 100/0 superior y una inversion de un 10% inferior en comparacion con las convencionales de carbon pulverizado con desulfurizacion (PC/FGD). Sin embargo, los estudios sabre las de segunda generacion indican que la inversion es un 25% mas baja, la eficiencia un 25% mayor y el costo de la electricidad un 20% menor (Robertson et aI. 1.988). Las ventajas del cicio PFB se pueden resumir como sigue: 59

• • • • •

Excelente tecnologia para aumentar la potencia Mas bajas emisiones de S02 y No x Mayor rendimiento (45%) Menor inversion Menor costa de la electricidad

4.2.4.2. Combustion directa con carbon Descripcion La idea de WestinghouselTextron de un combustor de escoria de alta presion para la turbina de gas consiste en una unidad modular con tres etapas., como la que se muestra en la Figura 17. T"rbdlil1n hllllitl,,1

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FIGURA 17. Combustor de escoria, (Domeracki et aI, 1.994) La primera etapa constituye la zona de combustion primaria. Carbon y aire precalentado entran a la zona primaria coaxialmente:> a traves de cuatro boquillas de inyeccion igualmente espaciadas alrededor de la camara de combustion. Esta inyeccion coaxial provoca una intensa mezcla de aire-carbon y un rapido calentamiento/separacion de volatiles de las particulas, que minimiza el tiempo de combustion completa del carbon. Los cuatro chorros de carbon-aire convergen en linea central del combustor y forman un chorro vertical que choca contra el techo del mismo, 10 que forma un torbellino toroidal que propicia los mecanismos de 60

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estabilizaci6n de la llama y separaci6n centrifuga de las particulas de ceniza mayores. La escoria forma una capa estable que fluye sobre la pared del combustor y la geometria vertical de esta etapa permite la eliminaci6n por graved ad de la escoria fundida. EI separador de impacto forma la segunda etapa del combustor y promueve la separacion de la escoria que es recolectada en la cubeta. La tercera etapa es un proceso de combustion pobre que completa la combustion y controla la temperatura de entrada a la turbina. Las ventajas son las siguientes:

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Excelente tecnologia para aumentar la potencia Mas baja inversion Mas bajo costa de la electricidad Menores emisiones de S02 y Nox • Mayor rendimiento (45%)

• • • •

4.2.4.3. Combustion indirecta con carbon Descripcion En un sistema de combustion indirecta con carb6n, el aire que sale del compresor se retira del mismo para calentarse en un cambiador de calor. De esta forma, solamente se envia aire limpio a la camara de expansion de la turbina, Bajura y Webb, 1.991, eliminando la n~cesidad de un sistema de control de particulas de alta temperatura para proteger la turbina. La Tabla 12, relaciona los parametros termodimlmicos clave del sistema de referencia y dos casos de ciclos alternativos.

TABLA 12. Parametros termodinamicos ciave, (Domeracki et aI, 1.994) Alternativa A Alternativa B Parametros Cicio de referencia 2.300 of 2.500°F 3.000°F Temperatura de entrada ala turbina de gas 2.400 psi 2.400 psi 2.400 psi Condiciones de entrada a la 1.1 OooP/l.l OOOf 1.200°F/l.100oP 1.200°F/1.100Of turbina de vapor Tubos cenimicos Tubos cecimicos Estufaltuberia de Calentador de aire del calor HITAF Pared de agua Pared de agua Sin pared de agua Estructura del HITAF 66,0 100 Utilizacion del carbon (%) 67~3 319,9 277,7 292,3 Produccion de energia bruta (MW)

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Produccion neta de la planta 271,2 286,5 (MW) 53,0 47,1 Rendimiento global 48,5 61

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4.2.5. Combustion de Productos de Licuefaccion y Gasificacion

En muchos paises, la combustion de los carbones disponibles pueden causar problemas ambientales, particularmente con respecto a emisiones de oxidos de sulfuro y nitrogeno.

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La conversion del carbon a gas con bajo, medio 0 alto poder calorifico, incluyendo metano 0 gas natural sintc;~tico puede proporcionar un medio de obtener combustibles gaseosos limpios para combustion en esas circunstancias. Sin embargo, los costos asociados con la gasificacion son altos y la eficiencia tennica es inferior a la de la quema directa del carbon en estado pulverizado. Otro proceso de este tipo tiene que ver con la licuefaccion del carbon para producir un material semi-solido bajo en sulfuro conocido como solvente refinado de carbon. El producto resultante tiene mucho menor contenido de cenizas y azufre que el carbon de donde proviene y puede usarse como un combustible de caldera en fonna liquida 0 si se enfria puede usarse como combustible solido granular para aplicaciones de combustion.

4.3. ELABORACI6N DEL CEMENTO El cemento portland es el producto que se obtiene al moler el clinker sinterizado con una pequena cantidad de yeso .. EI clinker se prepara al calentar caliza con una cantidad controlada de lutita, arcilla, arena, bauxita 0 mineral de hierro en un homo a una temperatura de 1400 - 150QoC. en este proceso se producen una serie de compuestos de silicato de calcio, la hidratacion de los cuales da al cementa su resistencia cuando se usa. Los costos del combustible generalmente represent an una alta proporcion del costo total de la elaboracion del clinker del cemento. El consumo de carbon es particularmente alto con procesos que involucran mezclas basadas en agua, y por esta razon en las plantas se prefirio inicialmente utilizar carbones bajos en cenizas. El uso de procesos secos, reduce el consumo de calor de alguna manera. Carbones con mas de 35% de cenizas se han usado satisfactoriamente en las plantas de cementa de Australia, y una mezc1a de carbon y desecho de lavado de minerales con un contenido de cenizas de aproximadamente e147%, se ha usado en Belgica.. Una cierta cantidad de cenizas de carbon se absorben dentro del clinker durante los procesos de combustion, y por esta razon el contenido de cenizas del combustible debe permanecer relativamente constante. La composicion de las cenizas tambien se debe evaluar en conjunto con las proporciones relativas de los otros componentes en la mezcla de la materia prima, para asegurar que el producto final del proceso tenga las propiedades deseadas. Se necesitan altas temperaturas de fusion de las cenizas, 62

, para evitar la formacion de anillos de clinker pesado en el homo durante los procesos de combustion. 4.4. REDUCCION DIRECTA DE MINERALES DE HIERRO.

Los oxidos de hierro junto con el carbon y/o char, se alimenta continuamente dentro de un homo rotatorio inclinado y el aire se introduce a intervalos a 10 largo de las paredes del homo a traves de los quemadores. La combustion parcial, 0 mas corrientemente la pirolisis del carbon ocurre en la parte superior del homo, proporcionando calor y formando char y monoxido de carbono para los procesos de reduccion. EI mineral se convierte a hierro mebilico en la parte inferior del homo, principalmente por reduccion gaseosa con monoxido de carbono y el C02 que se produce en este proceso se regenera para formar mas monoxido de carbono por interaccion con el char en la mezcla. Los productos del homo, se enfrian tamizan y se separan magneticamente bajo condiciones disefiadas para minimizar la oxidacion~. Cualquier char que no se ha consumido en el proceso de reduccion se reduce en el alimentador del homo. Para recuperar y usar el calor residual desde el proceso se puede incorporar un quemador. 1. Reactividad del Char. El rango del carbon afecta la reactividad del char al igual que la presencia de elementos cataliticos en la ceniza tal como sodio, potasio y hierro. Los carbones de bajo rango producen chares de mas alta reactividad, y el uso de Iignitos y carbones sub-bituminosos produce temperaturas del proceso mas bajas, mejorando la productividad y la mejor operacion de planta. 2. Contenido de Cenizas. EI contenido de cenizas del carbon preferiblemente no deberia exceder el 20%, porque con carbones mas altos en cenizas todos los requerimientos de combustibles son mas altos y este incrementa la carga termica. 3. Comp3sidon de Cenizas. Esta afecta las caracteristicas de fusion de las cenizas. La temperatura de ablandamiento de las cenizas del carbon deberia estar entre 100-1 50°C arriba de la temperatura de operacion del homo. 4. Contenido de Sulfuro. Se adicionan caliza y dolomita al homo para absorber sulfuro y prevenir que este se entrampe en los productos metalizados. Sin embargo se requiere combustible adicional para la calcinacion, y ademas se prefieren los carbones bajos en sulfuros. 5. Propiedades Coquizables. Se recomiendan los carbones no coquizables y con indice de hinchamiento menor de 2. 6. Distribucion de Tamafios. EI carbon que se utiliza deberia tener una proporcion minima de finos y un tamafio medio aproximadamente igual a la mitad del mineral que se usa. 7. Poder calorifico. Este depende del range del carbon y del porcentaje de humedad y ceniz~ se recomienda un carbon con alto poder calorifico.

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4.5. CARBONIZACION Y ELABORACION DEL COQUE

El rango al igual que la composicion maceral se aplican ampliamente para estimar y definir las propiedades del carbon en sus usos pnicticos tales como combustion, pirolisis, coquizacion, licuefaccion y gasificacion. Mochida y otros, 1.994. Tales procesos consisten en calentar el carbon 0 su carbon residual en una atmosfera inerte 0 reactiva mientras el carbon libera las sustancias volatiles, las cuales se recuperan 0 se utilizan para posterior reaccion de pirolisis, hidrogenacion y oxidacion. Los carbones residuales se forman atraves de la fase salida 0 liquid a para convertirse en char 0 coque por reacciones posteriores 0 recuperacion como el carbono producido. Las propiedades de los carbones residuales se definen basicamente por la fusibilidad, la cual depende de la naturaleza del carbon y las condiciones de carbonizacion, (Mochida y otros, 1.994). De todos los procesos de conversion del carbon, la carbonizacion 0 coquizacion es el que cuenta con el mayor numero y mas avanzadas aplicaciones de la petrografia del carbon.

4.5.1

Criterios para carbones coquizables.

Se ha establecido desde hace tiempo que solamente los carbones con un rango especifico de rango y tipo son capaces de formar coque, y tambien que dentro de este rango hay limites que se basan sobre propiedades que se determinan anaHticamente del carbon las cuales deciden la naturaleza del coque producido. La habilidad de un carbon para fundir cuando se calienta y formar un residuo coherente al enfriarse se denomina coquizabilidad y este es un prerequisito esencial para que un carbon sea coquizante, eso es debe fonnar torta 0 fundir cuando se calienta. ....

Algunos de los componentes organicos del carbon contribuyen a las propiedades de

fusion durante la carbonizacion, mientras otros no y ademas el hecho que un carbon

. dado presente propiedades de fusion es una indicacion de que la influencia ejercida por

las entidades fusibles excede esas de las no fusibles. Aun si un carbon no da una evidencia de fusion, alIi pueden haber algunos componentes presentes los cuales ablandan cuando se les somete al calor. En un carbon coquizante de excelente calidad, el cual forma coque satisfactoriamente por si solo, esta presente una relacion optima de componentes reactivos a inertes (no fusibles). Los componentes inorgilnicos del carbon tambien participan en el proceso de hacer el coque y debido a que enos son retenidos substancialmente en el coque, influencian su comportamiento en el alto homo. La relacion entre poder coquizante (tipo de coque Gray King) y el rango del carbon, expresados como contenido de materia volatil Figura 18, muestra que los carbones de muy bajo rango (lignitos y carbones sub-bituminosos) 0 muy altos (antracitas) no 64

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hacen torta y no son capaces por si mismos de formar coque., Tales carbones no producen un boton de coque cuando se someten a la prueba de indice de hinchamiento en el crisol, y por muchos aDos las personas responsables de la preparacion y utilizacion de los carbones coquizantes usaron los resultados de los amilisis de indice de hinchamiento del crisol y Gray-King para la evaluacion de las propiedades del carbon, Ahora esas pruebas comunmente se complementan por las medidas de la fluidez (plastometro Gieseler) y dilatacion (dilatometro Audibert-Am,u 0 Ruhr) en conjunto con los estudios petrognificos (analisis maceral y reflectancia de la vitrinita) para tener una idea mas clara del potencial de coquizacion de un carbon dado 0 de una mezcla. -~

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FIGURA 18. Materia vohitil y tipo de coque Gray-King, Resultados para muestras individuales indicadas por ,y +, (Ward C., 1.984)

No todos los carbones producen coque. En terminos generales, solo aquellos que se encuentran dentro del rango de los bituminosos (0,5-2,0% de reflectancia) seran capaces de reaccionar cuando se calientan y producir coque, y no todos los carbones bituminosos son coquizables. Se consideran como buenos carbones coquizables los que tienen reflectancia entre 1,0 y 1,6%.

4.5.1.1. Fluidez e hiochamiento. -Es necesano, para la fonnacion del coque, que algunos de los constituyentes organic os del carbon 0 macerales se fundan cuando el carbon se calienta por encima de su rango plastico (350-550°C). Un carbon coq1,lizante se comporta como si este fuera un seudo I

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Hquido, y la viscosidad de este material a varias temperaturas juega un importante papel en las operaciones de coquizacion. Las caracteristicas de viscosidad (0 fluidez) del carbon pueden medirse por medio del plastometro Geiseler. Los principales panlmetros obtenidos de esta prueba son: Temperatura de ablandamiento inicial 2 Temperatura de maxima fluidez 3 Temperatura de resolidificacion 4 Maxima Fluidez (log lode esta se llama indice de fluidez) 5 Rango de temperatura desde ablandamiento a resolidificacion (rango plastico)

Cada uno de ellos es import ante de alguna manera cuando se evalua la capacidad de coquizacion de componentes mezclados. )

Un carbon con una alta fluidez maxima y un amplio rango plastico tiene un mayor potencial para mezclarse que muchos otros. Dependiendo de su rango, este se puede mezclar con un rango de materiales de menor fluidez para proporcionar un coque de alta resistencia. Las temperaturas actuales de ablandamiento y resolidifcacion para cada componente en la mezcla se deben tambien considerar. Si esas no coinciden, los componentes de los fluidos en algunos carbones pueden actuar como constituyentes inertes para parte Tal comportamiento puede ser ventajoso 0 de la temperatura involucrada. desventajoso en mejorar la resistencia del coque resultante, y el efecto verdadero solamente se puede establecer a partir de las pruebas del homo de coque. Los cambios de volumen que se presentan cuando los carbones se funden se miden en el dilatometro Audibert-Arnu 0 Ruhr. Un decrecimiento en el volumen (0 longitud de la briqueta de prueba) se observa siempre cuando el ablandamiento y la fusion del carbon se presenta. Esta contraccion puede seguirse por un proceso de hinchamiento, la extension del cua] depende de la tasa de desgasificacion del carbon y la viscosidad de la masa plastica. Si hay una alta tasa de evoluci6n del gas y una baja viscosidad, la presion del gas puede hacer que la masa plastica se rompa antes que expandirse. De otro lado si hay baja tasa de evolucion del gas y una alta viscosidad habra muy pocaexpansi6n de la masa plastica. Para la elaboraci6n de un coque metalurgico gyr«2...X denso, debe haber un balance entre Ia viscosidad de la masa plasuca y el grado df?Jlirr~hamiento de esta --n1asa resuffante de la presion OesarrolIaaa po"r-Iosgases~~'''--''~'''' -.---------­ ...

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FIGURA 20. Curvas dilatometricas de carbones de diferente raugo ~Ienendez R, 1.995).

A. Propiedades de plastometria Gieseler. EI rango de los carbones rnezc1ados, rnedido por la retlectancia, y 1a tluidez maxima, detenninada por el plastornetro Gieseler, son los principales panimetros que se usan para este proposito por la industria de acero japonesa. Como se indica en la Figura 21, las propiedades deseables de la rnezcla de carbones deberian ser: Retlectancia media maxima de la vitrinita 0,8 a 1,2%; Fluidez maxima 50-/.000 d.d.m.. La mezcla debe tener estas especificaciones si se quiere obtener un coque con Indice de resistencia mayor de 92,0 (JIS-DI IS 30). EI diagrama se divide en 4 cuadrantes. Los carbones que caen dentro de los cuadrantes I y II son necesarios para proporcionar adecuada fluidez en 1a mezcla. Los carbones del cuadrante IV son necesarios para ajustar el mugo de los carbones mezc1ados. Los carbones del cuadrante III tienen bl\io rango y tluidez y ellos se Usan solamente como un carbon fuente para mezc1ar.

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FIGURA 21. Fluidez y reflectancia para mezclas coquizables. La materia vollitil se presenta en base seca libre de cenizas (lac), el contenido de inertes esta dado en portentaje por volumen, (Ward c., 1.984).

B. Propiedades dilatometricas. En Europa, las caracteristicas de dilatacion de los carbones y mezc/as se detenninan mediante el uso de un dilatometro RUM 0 Audibert_ Arnu, estas medidas proporcionan una base para el citlcuJo del indice de Tambor micum M., para coques producidos de tales carbones y mezc/as. EI indice de sigue: coquizabilidad G se puede caleular de los resultados de dilataeion experimental como G:::: (E + V/2) x (k + d!Vk + Ed)~ Donde:

E-~ Temperatura de ablandamiento (OC)

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4.5.1.2.

Propiedades petrognificas

Utilizacion de la petrografia para la prediccion de las propiedades del coque. La determinacion de la composici6n petrografica del carbon se ha convertido en un elemento importante en la evaluaci6n del potencial coquizable del carbon. No solamente se puede utilizar para predecir ciertas propiedades del coque, tales como resistencia, sino que tambien se puede correlacionar con propiedades del carbon tales como fluidez y contenido en volatiles. La informacion obtenida a partir de las diferencias observadas en el comportamiento de los constituyentes petrograficos del carbon en pruebas de coquizacion y otros experimentos ha permitido establecer que estos se pueden considerar como reactivos 0 inertes en un proceso determinado. Los estudios petrograficos detallados de mezclas coquizantes se han usado tambien en varios paises para predecir los indices de tambor del coque. Predicciones satisfactorias solamente se pueden hacer para carbones con similar composicion petrografica para los cuales el sistema se desarrollo. EI sistema debe ser modificado para carbones altos en inertinitas ( depositos australianos y canadienses), porque el contenido total de semifusinita es relativamente alto. El uso de un valor simple de 1/3 de las semifusinitas para representar la proporcion de este maceral que es reactivo no siempre da una buena indicacion del contenido de reactivos verdadero de tales carbones. Para carbones con una baja proporcion de macerales inertes, este parametro tiene proporcionalmente menos influencia sobre la prediccion de la resistencia. La relacion del rango del carbon y el tipo de propiedades tales como el contenido de materias volatiles e indice de hinchamiento en el crisol se ilustran en la Figura 22. Cuando se considera en una base seca libre de .materia mineral, la proporcion de materia volatil disminuye con el incremento del rango y tambien en una menor proporcion con la disminucion del contenido de vitrinita. La produccion total de productos solidos de carbonizacion en base seca libre de materia mineral se incrementa bajo esas circunstancias.

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Dependiendo del rango del carbon, vitrinita, liptinita y algunos macerales inertiniticos funden cuando se calientan. El resto de la inertinita, tambien como mucha de la materia mineral, permanece inalterada. Tambien se pueden formar vesiculas en los macerales reactivos a medida que la materia volatil sale. Para carbones de un rango dado, el indice de hinchamiento es mayor para los carbones mas brillantes 0 altos en vitrinitas que para los carbones opacos 0 altos en inertinitas. EI indice de hinchamiento es mayor para carbones de un contenido de vitrinita dado, a un rango correspondiente a una reflectancia maxima de la vitrinita de cerca de 1,35%, Yluego decrece a medida que el rango aumenta hacia la antracita.

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2.2

Reflectancia de vitrinita

FIGURA 22. Relacion entre propiedades petrograficas y a. Porcentaje de materia volanl, y b. indice de hinchamiento para carbones Australianos. EI porcentaje total de clarita y durita mas la mitad del porcentaje de microlitotipos intermedios (clarodurita y duroclarita) es efectivamente equivalente a el porcentaje del maceral vitrinita en el carbon, (Ward C., 1.984).

I

En los casos donde varios carbones de diferente rango y tipo se han mezc1ado para formar el coqueque alimenta el homo, las propiedades de hinchamiento de la mezcla final no dependen simplemente de las proporciones relativas de cad a componente. La Figura 23, muestra representaciones en forma de histogramas de la abundancia de vitrinita de diferentes reflectancias para cuatro mezclas de carbones, cada una de las cuales tiene el mismo porcentaje de materia vohitillibre de agua y cenizas. Diferencias marcadas en el indice de hinchamiento son aparentes de la muestra del tipico carbon coquizable (1) donde todas la vitrinitas tienen una reflectancia de alrededor de 1,3, ala muestra (4) la cual es he~ha de una mezc1a de materiales groseramente iguales con mas altos y mas bajos valores de reflectancia. En todos los casos, la reflectancia media es esencialmente identica.

71

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•

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FIGURA 23. Histogramas mostrando la abundancia de vitrinita en diferentes clases de reOectancias para 4 mezclas de carbon . Cada mezcla tiene aproximadamente la misma proporcion de materia vohitil pero diferentes propiedades de hinchamiento, (Menendez R., 1.995). La vitrinita fundida y otros macerales reactivos se unen a los componentes no reactivos del carbon de la misma manera que el cementa se une· a las particulas de agregado en el hormigo~ ambos componentes son esenciales para producir un coque fuerte, Justo como las proporciones relativas de cementa y agregado afectan la resistencia del hormigon., las proporciones relativas de materiales inertes y reactivos en los carbones coquizables afectan la resistencia del producto carbonizado final. Para cada reflectancia 0 intervalo de clase de rango, hay una relacion optima de compon,entes reactivos a inertes que imparte la maxinul resistencia al coque Figura 24. Con mayores 0 menores proporciones de macerales inertes, la resistencia del coque disminuye. Schapiro et al, l.961, han derivado un indice de balance de composicion IBC a partir de la proporcion de componentes reactivos en cada intervale de clase de reflectancia con respecto a la relacion optima de reactivos e inertes para esos intervalos usando la siguiente formula:

72

~ [Be = (Total de inertes en la mezcla) / {rTotal reactivos (Vt 1) I relacion optima R:I (Vt I)] + [Total reactivos (Vt 2) I Relacion optima R:I (Vt 2) + ....+ [Total Reactivos (Vt 21) / Relacion optima R: I (Vt 21)]} ~

Donde: El total de inertes = Micrinita + macrinita + esclerotinita + fusinita + 2/3 semifusinita El total de reactivos = Vitrinita + liptinita + 1/3 semifusinita, y Vt 1 a Vt21 son las clases de reflectancia de la vitrinita, equivalentes a los tipos de vitrinita. Un carbon con un me, menor que 1,0 es deficiente en inertes y da un coque de menor resistencia porque no hay suficientes agregados para mitigar el desarrollo de grandes vacuo las y adicion de refuerzos a las paredes de los por~s. Un carbon con un me mayor que 1,0 tiene un exceso de componentes inertes, pero tambien da una baja resistencia qel coque porque hay insuficientes agentes cementantes para Jigar las particulas de agregados. 25r'----------------------------~-.

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21

FIGURA 24. Relacion optima de macerales reactivos a inertes para produccion de coque en relacion a la clase ~e reflectancia de la vitrinita 0 los tipos de vitrinoides, (Ward C., 1.984).

La mezcla adecuada de maceraIes reactivos e inertes para un intervalo de clase de reflectancia 0 el balance optimo de reactivos e inertes en un componente simple de una mezcla de un homo de coque, no necesariamente tendni la misma resist encia absoluta que la mezcla optima en una clase de rango diferente. Otra propiedad, Hamada el indice de resistencia IR (strength index) 0 indice de rango (rank index) se puede evaluar de los datos petrognificos (Schapiro et al 1961) determinan la resistencia relativa de coque elaborados a partir de carbones de diferentes rangos y tipos. Una correlacion empirica entre esos dos facto res y la resistencia del coque determinada por el factor de estabilidad (fraccion mayor de 1" en la prueba de tambor) por el indice del tambor se ilustra en la Figura 25. 73

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2.5

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4.0

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FIGURA 25. Relacion entre el in dice de balance de composicion, el indice de resistencia y el indice determinado por el anaIisis de tambor DI 3015, (Ward C, 1.984).

I 4.5.2. Correlacion del carbon y las propiedades del coque.

\

i,

En parte debido a Ia Iimitada disponibilidad y alto costo de los carbones tipicos coquizantes, muchas plantas presentes hoy dia hacen uso de las mezclas de carbon para sus procesos de carbonizacion. Como se menciono arriba las propiedades coquizantes de los componentes de la mezcla (indice de hinchamiento) tambien como sus propiedades de fluidez Gieseler no son aditivas (mezcla 50:50 de dos carbones con numeros de hinchamiento de 2 y 8 no necesariamente tienen un indice de hinchamiento de 5). Resultados que se calculan de mezclas de carbon se pueden frecuentemente confundir y por 10 tanto la determinacion experimental de varios valores deberia hacerse cuando sea posible. Un ejemplo de los pasos del proceso involucrados en la prueba a escala piloto de las propiedades coquizantes para una carbon 0 una mezcIa se da en la Figura 26. Este

74

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procedimiento particular se basa en el usa del homo de coque de 230 Kg. de capacidad, de paredes moviles, pero homos de capacidad mas pequeiios (7 Kg.) tambien se usan para las pruebas de las propiedades de carbonizacion de muestras mas pequeiias, tales como las obtenidos de corazones de perforacion, y para obtener datos indicativos sobre los carbones 0 mezclas antes de hacer las pruebas en homos mas grandes.

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FIGURA 26. Proceso de pasos en las pruebas de las propiedades de coquizacion de un carbon 0 mezcla de carbones, (Ward C., 1.984).

4.5.3. Proceso de carbonizacion.

Cuando seestados: calienta en ausencia de aire, el carbOn coquizable pasa a traves de los

siguientes a. 350-550°C, el carbOn reblandece, funde, pierde vohitiles y se vesiculiza. NOrmalmente en este fango de temperaturas es cuando se desatrolla su mlixirna fluidez, para luego disminuir b. 450-550°C, el carbon comienza a endurecer y a convertirse en coque. Es en este margen de ternperaturas cuando el carbOn, si tiene e1 rango adecuado, atraviesa por un 75

T

estado de cristalliquido (mesofase) que luego solidifica a Coque, EI sOlido formado a

esta temperatura recibe el nombre de "semicoque".

Desde el punto de vista qUlmlco se presentan reacciones de polimerizacion deshidrogenati va. Cuando se calienta el carbOn-brea se generan radicales libres, los cuales si son 10 suficientemente estables interaccionan entre si, dando lugar a reacciones de transferencia de hidrogeno, y pasan atraves de un estado cristalliquido intermedio (mesofuse) para luego solidificar a coque. Si los radicales no son 10 suficientemente estables interaccionan nipidamente entre si y dan lugar a un coque isotropo. c. 550- 1000"C, se produce una perdida ulterior de voilitiles y el semi-coque se transforma en COQUE .

4.5.3.1. Comportamiento de los distintos macerales durante la carbonizaci6n. De acuerdo a Menendez R, 1.995. durante el proceso de coquizacion, los macerales del grupo de la liptinita y Ia mayoria de los de la vitrinita funden y son reactivos. Los del grupo de Ia inertinita se comportan de formas muy diferentes.

Vitrinita • Se vueIve pIastica, • •

Desan-olla porosidad, inicialmente en la resinita que rellena la telinita, La estructura del coque resultante depende de su refJectancia (85 % de mosaicos)

Liptinita • En carbones de alto contenido en volatiles reblandece en torno a los 4000C y se

convierte en fluida a 410-4250C,

• Su comportamiento depende de los macerales a que esta asociada

• La mayorfa se volatiIiza formando gas, aceites y alquitranes • PRY Cuando reacciona de 0,85 % con la vitrinita los residuos son indistinguibles en carbones con • Cuando esta asociada con la inertinita, el tamailo de los poros que genera

corresponde al del maceral1iptinita (esporas).

• En carbones de mas alto rango produce residuos con estructuras anisotropas tipo

"dominio "de mayor tamafio que las asociadas a la vitrinita.

Semifusinita • Intermedia entre vitrinita y fusinita •. Asociada con vitrinita funde • Ais]ada dificilmente se mezcIa • Sus coques pueden presentar arusotropia

76

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Fusinita • Inerte • Centro de fonnacion de fisuras ~

Micrinita • Puede ser reactiva , • Normalmente puede estar presente en microiitotipos con bajo poder de coquizacion Macrinita • Semi-reactiva • Su reactividad depende de su reflectancia

,

4.5.3.2. Carbonizacion comercial.

EI coque es el residuo solido que queda euando el carbon se calienta en ausencia de

aire hasta que la mayor parte de los constituyentes volatiles se desprenden. Diehos

compuestos volatiles eonstituyen los subproductos y son: Hidrogeno, monoxido de

carbono, metano, Heor amoniaeal, benzol (benceno, tolueno, xileno) y alquitran,

Figura 27.

I CION I

\

Carbonizaci6n

Gas de

Licor Amoniacal

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Benzol crudo Benceno, Tolueno Xileno

Alquimn Decarb6n

Coque

Combustible FertiliZantes

Retardadores

Materias primas para la industria plastica

Insecticidas manufactura del Resinas hierro y el acero Materiales ligantes

,If'

Subproductos del homo de cCXJue

FIGURA 27. Subproductos del homo de coque, (Menendez R., 1.995)

La calidad 0 earacteristicas del coque vienen controladas en gran medida por las caracteristicas del carbon 0 carbones de partida y tambien por las condiciones del propio proceso, Figura 28. 77

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FIGURA 28. Factores que afectan al proceso de coquizacion, propiedades

del carbon y condiciones del proceso, (Menendez R., 1.995)

'\ Su principaluso es en la fabricacion del hierro y el acero, donde este proporciona energia cal6rica y acrua como un ag~nte reductor Rara la operacion del mineral de ­ hierro en el alto homo Figura 29. EI coque para este proposito es un material usualmente denso y relativamente fuerte, producido en los homos de coque de un simple carbon 0 de una mezcla de carbones seleccionados. De otro lado, cuando el residuo del proceso de la carbonizacion es una masa pulverulenta no porosa 0 granular, esta es conocida como char. EI char se puede usar tambien en la forma de briquetas especialmente moldeadas, de la misma manera que el coque (un producto conocido como coque formado), 0 como una materia prima para productos industriales tales como electrodos de carbono. Tal uso es relativamente menor comparado a el coque del tipo tradicional.

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Hueca de salido del hierro

FIGURA 29. Seccion transversal de un alto homo, (Ward C., 1.984)

El objetivo de la coquizaci6n es preparar un coque mecanicamente fuerte seleccionando los carbones que se van a carbonizar en el homo de coque. Basicamente los granos de carb6n se fund en, y adhieren para formar un coque duro de suficiente tamano. Antes de que los granos de carb6n se solidifiquen, la carbonizaci6n progresa en la fase Iiquida para formar. carb6n grafitizable atraves de la fase liquida­ cristal. La fluidez, producci6n de coque;, y formaci6n de mesofase en Jos procesos de coquizaci6n son los principales factores que se deben tener en cuenta. Todas esas propiedades del carb6n estan relacionadas a su range y composici6n maceral, Mochida y otros, 1994. La Figura 30. ilustra la tluidez del carb6n como una funci6n del rango y los macerales, Aunque la tluidez depende muy sensitivamente de la clase de macerales, los macerales son clasificados en fusibles activos y no fusibles inertes, y se asume que la fluidez de los primeros esta gobemada solamente par el rango descrito par la retlectancia promedio del carb6n Ro. La tluidez se describe por la funci6n del tipo de campana Ro, y la cantidad de inertes no fusibles reduce la fluidez de una manera similar a la de la mezcla. La cuantificaci6n de los macerales inertes es importante para estimar la tluidez.

79

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,

La fusinita y micrinita masiva se han identificado como inertes, mientras la vitrinita y liptinita como macerales activos. Hay macerales intermedios entre los activos e inertes. Ammocob reporte que 1/3 de ta1es macerales fueron fusibles La caracterizacien mas detallada de los macerales intermedios es necesaria. reporto que la fluorescencia de tales macerales esta relacionada a tal fusibilidad.

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Ro (0/0) FIGURA 30. Influencia de la reflectancia media de la vitrinita (Ro) y el contenido total deinertes (TI) sobre la fluidez maxima de carbones (MF). A. Alto rango, carbones no a ligeramente coquizables A'. Bajo rango, carbones no a ligeramente coquizables B. Carbones no a ligeramente coquizables de alto contenido de inertes totales. C. Carbonesaltamente coquizables de bajo contenido de inertes totales D. Mezcla de carbon de A 0 A' y C E. Mezcla de carbon de B y C, (Mochida y otros, 1.994)

La unidad basica del proceso de coquizacion es Ia bateria, la cua} esta constituida por un numero de homos situados en serie. Cada homo se puede alimentar con] 5 - 30 toneladas de carbon. Figura 3 1 80

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Carbon lavado y malido _-+-t--0eposito de cargo

Huecas de corgue Ascension de tubas

Coleccion principal de gas

Tolvas

r Horno de carbdn Desechos de calor y vONulas de aire

lavador II ...1

Desecho de fluja de color

Suministrode gas

combustible 01 aHo terno

Suministra de gas 'combustible 01 horno de

coque

FIGURA 31. Bateria de hornos de ranura en una planta de subproductos de coquizacion, (Ward C., 1.984).

Las mezclas de carbon pulverizado se cargan por la parte superior y luego se tratan en un cicio de 18 horas, durante el cual la temperatura en el centro de la carga de carbon es de I 800°F . Durante este proceso la carga de carbon ejerce una considerable presion contra las paredes del homo, por 10 que debe tenerse especial cuidado con carbones que puedan generar presiones considerablemente altas (carbones peligrosos) y en consecuencia daiiar el homo. Al final del cicIo el coque es empujado fuera y se realiza el apagado con agua. Figura 32

81

Piston

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Carro de cargue esta

preparado para cargar el

carbon.

Comara de coquizocion

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El carbon se carga dentro

de la camara de coquizacion.

El carbon en la camara de coquizacion se niveIa por Ia barra niveladora montada sobre el piston.

Carro de enfriamienfo rcipido

Despues que el carbon se coquiz~

las puertas de ambos Iados se abren

y se prepara el carro donde se enfria

eI coque.

El coque caliente se lIeva hacia el carro donde se enfria

FIGUJl1.. 32. Dustraciou del procedimieuto de coquizacion

82

r

4.5.4 Efectos de la oxidacion natural del carbon en las propiedades coquizantes y en la calidad del coque. La oxidacion puede fracturar y romper el carbon en particulas finas~ 10 que dificulta su manejo, pudiendo afectar tambien los resultados de los procesos de flotacion que se presentan en las plantas de recuperacion. La oxidacion tambien destruye la fluidez del carbon y 10 hace mas inerte durante el proceso de coquizacion, 10 que se traduce en una disminucion de la calidad del co que. Estudios llevados a cabo por Gray y Col, 1976 y CrelIing y col, 1979 han mostrado que la oxidacion en una mezcla de carbon para coquizacion, produce los siguientes efectos:

• • • •

Perdida de resistencia del coque Aumento de la reactividad Aumento de finos que traen consigo una perdida en la produccion de coque Una disminucion de la velocidad de coquizacion que produce un encarecimiento del proceso.

La petrografia del carbon se puede utilizar para identificar el carbon oxidado, ya que las propiedades petrograticas del carbon tambien se yen alteradas. Los hechos mas significativos son:

\

• Relieve y ribetes de reaccion a 10 largo de los bordes externos de la particula de carbon:> de mayor a menor reflectancia que el interior de la particula. • Desarrollo de un sistema secundario de fracturas. • Relieve alrededor de las fracturas primarias yen las uniones de los macerales

4.5.5. Comparacion de las propiedades del carbon y las propiedades del coque a. Cenizas Aunque algunos cambios se presentan debido a la descomposicion tenruca, una parte sustancial de la materia mineral en el carbon se retiene en el coque producido. Ya que ocurre la perdida de la materia volatil de la fraccion orgamca del carbon, el resultado neto es que el coque tiene un mayor contenido de cenizas que su material parental. Estrictamente hablando, esta es materia mineral y no ceniza que esta presente en el carbon y en eI coque, ya que las cenizas represent an solamente'el residuo dejado despues que el material se ha quemado. La ceniza 0 materia mineral es un componente indeseado en el coque porque este incrementa el volumen de escoria en el alto homo y causa un mayor consumo de 83

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I

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coque para propositos de fundicion. Las 'cenizas, las cuales son comunmente acidas, tambien consumen mas caliza. Cada I % de ceniza en el coque reduce la productividad del alto homo entre 3-6% y hace necesario utilizar 10-20 Kg. mas de coque por cad a tonelada neta de metal caliente.

b. Sulfuro y fasforo. EI sulfuro y el fosforo se retienen en el co que en significante proporcion cuando el carbon es carbonizado, y ambos tienen un efecto negativo en la fabricacion del acero, ya que 10 hace quebradizo y fragil. EI sulfuro adicionado a el alto homo en el coque se divide entre la escoria y el metal fundido, y un nivel aceptable de sulfuro en el hierro es de 0,050%, Pinchbeck/Sellars, 1.970. (en Colin R. Ward edit.. 1.984), un incremento en la proporcion de sulfuro adicionado a el alto homo requiere mas coque y por 10 tanto se genera mas escoria para absorber el sulfuro adicional y mantener su concentracion en el hierro a el nivel optimo. EI contenido de fosforo delcoque varia de 0,02 a 0,07%, con un maximo deseable de cerca de 0,03% . . c. Materia vohitil. EI objeto de la carbonizacion es producir un producto rico en carbona que proporcionara calor para el alto homo y monoxido de carbona para la reduccion del mineral de hierro, Con el fin de producir este carbon, es necesario remover por devolatilizacion, esos constituyentes del carbon los cuales podrian de otro lado no jugar un papel efectivo en su uso en eI alto homo. EI contenido de materia volatil del coque deberia ser menor del 1%. Asumiendo que todos los carbones coquizables, independiente de su rango, se puede convertir a coque con tales bajos contenidos de volatiles. Esta es una consideracion pasada por alto en much as operaciones de coquizacion. Sin embargo, la produccion de varios subproductos (alquitran, gas etc.) seran mas altos si se usan carbones altos en volatiles, y esto puede volverse una ventaja si la venta de tales materiales es rentable.

4.5.6. Propiedades fisicas del coque.

:

Es comun que muchos carbones diferentes se utilicen en la alimentacion de los homos de coque, yes necesario seleccionar las relaciones de masa correctas de cada cOQ'lponente, cuyas propie~ades individuales son conocidas, para producir un coque de la especificacion deseada. \ EI coque metalurgico debe poseer suficiente resistencia mecanica para resistir la degradacion durante el manejo, y debe ser capaz de soportar el peso cuando este queda por debajo en el alto homo. El coque deberia tener una di~tribucion de tamafios uniforme y proporcionar un lecho poroso p~a pennitir que el aire caliente de la fundicion desde las tulleras pase sin serias restpcciones. Este de~eria tener una baja reactividad hacia el bi6xido de c&Ibono producido en el alto homo, pe otra manera ocurriria mucha gasificacion del coque y la perdida de solucion del carbon por esta reaccion seria excesiva. La estimacion de las propiedades fisicas del coque a partir de la propiedades quimicas, petrograficas y de coquizacion de los 84

~

carbones componentes es una tarea dificil, especialmente cuando se tienen nuevos carbones, y por esta razon coques experimentales, producidos en homos piloto, se analizan siempre y cuando sea posible.

f 4.5.6.1. Medida de la resistencia del coque. La resistencia del coque se puede medir por la habilidad del coque para resistir la degradacion al impacto (resistencia al rompimiento) y por resistir la degradacion resultante del contacto particula - particula 0 particula - metal (resistencia a la abrasion). Esas propiedades se pueden medir en el laboratorio al someter una masa medida de coque de rango de tamaiio especificado a la degradacion en un tambor rot ante adaptados con deflectores levantadores. Varios indices se obtienen por caIculos basados sobre el analisis de tamaiio de el residuo despues del tratamiento estandar en el tambor. El factor de estabilidad ASTM y el indice Micum (Mto) miden la resistencia del coque al rompimiento 0 impacto, mientras el factor de dureza ASTM y el Micum (MlO) miden la resistencia a la abrasion.

, \

\ 4.5.6.2. Reactividad. Puede ocurrir interaccion entre el coque y el bioxido de carbono producido en el alto homo para formar monoxido de carbono. Esto es indeseable en la operacion de los altos homos, porque este limit a la cantidad de coque disponible para la reduccion del mineral de hierro. Se prefiere una reactividad baja al C02­ La reactividad del coque se determina comunmente usando un metoda desarrollado por la Nippon Steel Corporation. Algunas fabricas de acero japonesas requieren que la proporcion de coque que reaccione con el C02 bajo las condiciones de prueba no excedan el 35%. La resistencia despues de la reaccion, otro parametro medido en la prueba, deberia ser al menos· el 50% del que tenia antes que se presentara la reacci6n. EI rango y la composicion maceral de los carbones utilizados para hacer el coque y la proporcion relativa de elementos alcalinos en las cenizas del coque tienen gran influencia sobre la reactividad del coque .

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.

4.5.6.3. Fisuras Las fisuras son grietas 0 debilidades en regiones locales en los granos individuales de coque, la tasa de contraccion del semi-coque varia con la temperatura que prevalece en el coque, y el fisuramiento se considera que se produce por esfuerzos desarrollados en las capas adyacentes del coque por las diferentes tasas de contraccion desarrolladas .dentro de ellas. Pequeiias adiciones de componentes no coquizantes (antracita, cisco de coque, coque 0 char de petroleo) han demostrado que actuan como modificadores de la contraccion ayudando a reducir la extension del fisuramiento y a mejorar la resistencia del coque.

85

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4.5.7.

Funciones del coque en el horno alto.

El coque se carga en el homo alto junto con caliza molida y mineral de hierro. Se introduce aire caliente dentro del homo, cerca de su base y se presenta una reacci6n por fa que el mineral de hierro se reduce a hierro metalico, el cual se recoge en el fondo del homo. La caliza tambien funde y va al fondo, flotando sobre el hierro metalico. Peri6dicamente se recoge. La mision de la caliza es actuar como colector de impurezas. Figura 29 Durante el proceso el coque pennanece s6lido y tiene tres funciones fundamentales:

,

• Soporta el peso de los materiales que hay en eI homo • Suministra energia en forma de calor para las reacciones • Ac1ila como agente reductor del mineral de hierro a hierro metaIico. Para ello, el coque ha de ser resistente y al mismo tiempo poroso. Resistente, para soportar el peso de los materiales, y poroso, para perrnitir la eliminaci6n de los gases que se generan durante el proceso.

\

4.5.8. Operacion del borno y resistencia del coque La tasa de ascenso de la temperatura en la carga del homo durante la carbonizaci6n puede tener una marcada influencia sobre el desarrollo de fisuras y la resistencia del co que, particulannente con carbones mas altos en volatiles y mezclas, y por esta razon el flujo de temperaturas del homo se deben controlar cuidadosamente. La densidad total de la carga tambien influencia la resistencia a la abrasion del coque tal y como se mide por el factor de dureza ASTM 0 el indice Micum MIO. EI contenido de humedad y la distribuci6n del tamafio de particula de la carga puede influenciar en gran medida la densidad total y la resistencia del coque. yen la practica se toman todas las precauciones para mantener esas propiedades dentro de limites especificos. La carga para los homos de coque, ya sea de un carbon individual 0 de una mezc1a de diferentes carbones, se pulveriza de tal manera que cerca del 85% pase la malla de 3 mm. y usualmente se adiciona aceite a Ia carga para control de la densidad total. La Tabla 13. da las propiedades del coque para uso en altos homos modemos de alta capacidad japoneses. En los altos homos modemos el coque debe tener un rango de tamafio especificado para promover la mejor operacion del homo, y esto se obtiene por una combinaci6n de tamizado y triturado del coque. Excesiva cantidad de coque fino 0 cisco (co que que pasa la malia de 6 0 3 mm) puede formarse en el homo debido a la inadecuada' penetracion del calor atraves de la masa de carbon durante la carbonizacion, 0 por carbonizacion de carbones de rango y propiedades coquizantes inapropiados, 0 carbonizacion de carbon meteorizado. Tal cisco realmente degrada y se debe remover antes de adicionar eI coque a el alto homo.

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T

TABLA. 13. Propiedades del coque de alto horno, Summers 1.979, (Ward C., 1.984) indice de tambor

Indice Micum

r

0[30 15

>93

01 150 15

>83

M40

>74,9

MID

:

...,

I

compaiiias que han usado una amplia variedad de carbones en sus operaciones PCI han desarrol1ado formulas empiricas para estimar la relacion de reemplazamiento de un carbon. Esas formulas generalmente usan los contenidos de carbona e hidrogeno mas el contenldo de carbono del coque. EI impacto de las cenizas se tiene en cuenta al usar esos valores. 3. Normalmente genera valores muy similares al caso anterior. El primer metodo se puede usar para predecir las relaciones de reemplazamiento exactamente, si a los valores utilizados se les aplica un poco de calculo aproximado para corregir el impacto de diferentes condiciones de operacion.

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-1

La relacion de reemplazamiento de carbon afecta directamente la cantidad de carbon que se requiere para obtener una tasa de coque especificado. Si se cambia de un carbon con una relacion de reemplazamiento de 0,92 a un carbon con una relacion de reemplazamiento de 0,82, se requerini inyectar 12% mas de carbon para operar a la misma tasa de coque, manteniendo los otros parametros constantes. Algo del carbon adicional sena requerido para proporcionar los aumentos del calor requerido para el carbon en si mismo. El estudio de la combustion del carbon en el alto homo es el area de desarrollo de gran interes con relacion a la inyeccion de carbon pulverizado ya que este puede ser el ultimo factor limitante para obtener la maxima tasa de inyeccion. El alto homo controla la temperatura de la llama con el fin de asegurar la propia operacion. La temperatura de la llama incrementa con la temperatura del alto homo y el contenido de oxfgeno y declina con el incremento de la humedad y la tasa de inyeccion de combustible. Aceite, alquitran y gas natural tienen un mayor efecto de enfriamiento sobre la temperatura de la llama comparada con el carbon. Asi, se puede inyectar mas carbon en comparacion a los otros combustibles mientras se mantiene la misma temperatura de la llama. La temperatura del alto homo se puede incrementar y disminuir la humedad con la inyeccion del carbon mientras se mantiene la temperatura de llama deseada. Esos cambios tienen un impacto positive sobre la operacion del alto homo. La petrologia del carbon es el factor principal que influye la combustion en el alto homo; en segundo lugar esta el efecto proveniente de la quimica de las cenizas y la naturaleza de los conductos del alto homo. El modelamiento de la combustion en los conductos es encaminada a varias localidades. El problema es generar un ambiente fisico 0 matematico, el cual simula los conductos. Sollac (Francia) ha reportado resultados de un estudio de modelamiento matematico de conductos de combustion. Este predice que el 80% de la combustion en los conductos puede esperarse para un carbon alto en volatiles y 65% para un carbon bajo en volatiles cuando los carbones se inyectan a una tasa de 180 Mg./Mg. (360 lb./t) y una temperatura de 1.200°C

(2. 192°F).

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